1. Первые предположения существования антиматерии
Впервые понятие «антиматерия» было придумано английским физиком Артуром Шустером в 1898 году, почти сразу же после открытия Джозефом Томсоном электрона. Шустер очень хотел, чтобы в природе торжествовала симметрия. Электрон, как известно, — это отрицательно заряженная частица (тут, правда, следует оговориться, что решение, какой заряд называть положительным, а какой отрицательным, было результатом соглашения; ученые могли договориться и об обратном обозначении знаков зарядов, и ничего от этого не поменялось бы), и Шустер предположил существование симметричного аналога электрона, заряженного положительно и названного им антиэлектроном. Из его гипотезы сразу следовала идея существования антиатомов и антиматерии, откуда можно электрическим полем вытягивать придуманные им антиэлектроны в антиэксперименте анти-Томсона. В течение нескольких лет Шустер пытался убедить в правомерности своей догадки окружающих ученых («Почему бы не существовать отрицательно заряженному золоту, такому же желтому, как наше», — писал он в своей статье в журнале Nature), однако никто его аргументам не внял. Утвердившийся за много веков научный прагматизм подсказывал, что верить следует только эксперименту, а все, что экспериментом не подтверждается, — ненаучная фантазия. А эксперимент тогда неумолимо утверждал, что отрицательно заряженные электроны из вещества можно вытащить, а положительно заряженные не наблюдаются.
Идея Шустера была забыта, и антиматерию переоткрыл Поль Дирак лишь спустя 30 лет. Сделал он это тоже гипотетически, но был гораздо убедительней Шустера, показав, что существование антиматерии решает множество накопившихся нерешенных к этому моменту проблем. Прежде чем перейти к идеям Дирака, нам придется вспомнить, к каким новым выводам пришла физика за эти 30 лет.
2. Создание атома Нильсом Бором
В начале XX века возникла потребность переосмыслить законы физики. Сначала натолкнулись на невозможность описать спектр абсолютно черного тела, используя лишь законы Ньютона и Максвелла, а чуть позже выяснили, что классические законы не позволяют описать атом. Согласно химикам, атом неделим, и они со своей точки зрения абсолютно правы, поскольку во всех химических реакциях атомы просто «переезжают» из одной молекулы в другую, но, наверное, можно простить кощунство физиков, пожелавших этот атом сначала разложить на составляющие, а потом собрать согласно строгим законам физики. К 1913 году разложить атом получилось неплохо: ни у кого тогда уже не возникало сомнения, что, например, простейший атом водорода состоит из положительно заряженного протона, экспериментально открытого Резерфордом чуть позже, и электрона. Казалось бы, все необходимое для сборки атома есть: помимо протона и электрона, есть электрическая сила притяжения между ними, которая должна держать их вместе. Собрать атом получилось, а сохранять его долго в стабильном состоянии — нет: электрон неумолимо падал на протон и не желал оставаться на заданной орбите. Починить эту систему удалось Нильсу Бору, отказавшемуся ради этого от классических законов механики для описания систем на расстояниях порядка размера атома. Вернее, Бору пришлось отказаться от представления об электроне как о маленьком твердом заряженном шарике и представить его как рыхлое облако, а для его описания потребовалось создать новый математический аппарат, разработанный многими выдающимися физиками начала XX столетия и получивший название «квантовая механика».
К середине 1920-х годов квантовая механика, пришедшая на смену механике классической, когда требовалось описывать что-то очень маленькое, уже прочно утвердилась. Уравнение Шредингера, в самой основе которого лежат квантовые идеи, успешно описывало очень многие эксперименты, например эксперимент со спектром водородной лампы (разогретый водород светит не просто белым светом, а небольшим количеством спектральных линий), помещенной в магнитное поле, в котором каждая линия немножко расщепляется еще на несколько линий.
3. Проблема отрицательных энергий
К моменту, когда в квантовую механику безоговорочно поверили, сформировалась и другая теория — специальная теория относительности (релятивистская механика), которая работает с очень большими скоростями. Когда скорости тел сравнимы со скоростью света, законы механики Ньютона также необходимо подправить. Ученые попытались скрестить два предельных случая: большие скорости (теория относительности) и очень маленькие расстояния (квантовая механика). Оказалось, что ничего сложного нет в том, чтобы написать уравнение, удовлетворяющее и квантовой механике, и теории относительности. Обобщение уравнения Шредингера на случай релятивистских систем было предложено независимо Клейном, Гордоном и Фоком (последний — наш соотечественник). Вот только решения этого уравнения нас не очень устраивали. Один из парадоксов с решениями — парадокс Клейна: для очень быстрых частиц, ударяющихся о высокий барьер, от которого, по идее, они должны отражаться, вероятность перескочить барьер, согласно этому уравнению, только увеличивается с его высотой — вывод, противоречащий здравому смыслу.
Еще одна несуразность релятивистского уравнения состояла в том, что среди решений уравнения возникали частицы с отрицательными энергиями. Что в этом страшного? Представьте, что с помощью квантовой механики мы обустроили наш мир. В нем, казалось, есть пол, на котором можно устойчиво стоять, и мы наводим уют: развешиваем по стенкам картинки, ставим книжки на полки. Все наши украшения точно подчиняются квантовой механике, они все обладают положительной энергией, а если мы что-то плохо повесили — упадут на пол. Вот только, пытаясь улучшить квантовую механику, сделать ее более правильной, мы обнаружили, что никакого пола в нашем мире нет. Вместо пола — зияющая пропасть (отрицательные энергии), куда все должно провалиться. Надо отдать должное выдержке физиков того времени: они не испугались, что мир развалится на глазах, а попытались эту проблему решить.
Разрешить проблему удалось Полю Дираку, который взялся описать частицу, более сложную, чем ту, что описывает уравнение Клейна — Гордона — Фока, — электрон. Электрон нельзя описать одной функцией, надо брать сразу две, причем эту пару нельзя разделить, и приходится писать систему уравнений. Казалось бы, задача только усложнилась (и с первого взгляда это усложнение не решает главной проблемы), но Дирак попытался довести решение до конца. Для электронов работает принцип Паули, который утверждает, что два электрона нельзя поместить в одно состояние: никакими усилиями второй электрон не втиснуть в уже занятое. Дирак, берясь за эту задачу, по-видимому, надеялся воспользоваться именно этим свойством: если ниже уровня пола все состояния уже заполнены электронами, то и проваливаться будет некуда. Казалось бы, задача безнадежная: надо залить электронами бездну бесконечной глубины. А Дирак лишь пожимал плечами: «А зачем нам об этом беспокоиться? Будем считать, что об этом уже позаботилась природа (а она всесильна), все уже залито, и пол наш есть». Таким образом, проблема отрицательных энергий разрешилась!
4. Антиматерия
Однако, записывая свое уравнение, Дирак натолкнулся на новую проблему: оказывается, для релятивистского описания электрона двух функций недостаточно, придется писать четыре! Что же собой представляют эти две лишние функции для электрона? Немного подумав, Дирак сообразил, что на нашем залитом полу могут образовываться пузырьки — дырки (природа, конечно, всесильна, но может позволить себе быть не совсем безупречной и допустить некоторые дефекты). Удивительным образом такой пузырек ведет себя точно так же, как электрон, по аналогии с пузырьком похожий на капельку, висящую над полом: у них одинаковая масса, оба они заряжены. Висящая капелька имеет положительную энергию и заряжена отрицательно, собственно, это и есть наш электрон. А пузырек (в подпольном мире) тоже обладает положительной энергией, но знак заряда у него обратный — это антиэлектрон (или позитрон). Для его описания и понадобились две лишние функции.
Дирак был окрылен своим открытием. Он был убежден, что античастицы реальны, хотя их никогда до этого и не наблюдали в эксперименте. Открыли античастицы несколькими годами позже, а к идее Дирака, несмотря на явный успех его теории (заметим, что античастицы разрешили и парадокс Клейна), коллеги относились скептически. Дирак же в свою теорию, видимо, верил безоговорочно. Пытаясь найти ответ на критику ненаблюдаемости позитронов, он довольно быстро сообразил, что позитроны жить вместе с нами не могут. Если бы они возникли где-то рядом с нами, то немедленно аннигилировали бы с окружающими электронами. Поэтому он вполне разумно предположил, что если уж наша Солнечная система устроена из электронов и вообще из частиц, то здесь не место античастицам, их надо искать в других галактиках, не соприкасающихся с нашей. Сейчас мы верим, что, скорее всего, антигалактик не существует: причина в том, что антиматерия немного отличается от материи.
Придуманные Дираком позитроны были вскоре открыты Карлом Андерсоном в космических лучах. Они рождались из энергичных космических фотонов в паре с электронами, но перед последующей аннигиляцией успевали пролететь некоторое расстояние и оставить следы. Интересно, что позитрон мог быть открыт на 5 лет раньше выдающимся российским физиком Дмитрием Скобельциным, который позитрон увидел, только сам не смог поверить в свое открытие. Античастицы должны быть у всех частиц, за исключением истинно нейтральных, таких как фотон (для фотона античастица является им же самим), и сегодня все они открыты. Только видим мы их в специальных экспериментах. Поэтому часто антиматерию воспринимают как совершенно абстрактное, возможно, красивое, но непонятно зачем придуманное понятие. Действительно, все, что обсуждалось ранее, — только факт существования античастиц, а в окружающей нас природе их ведь почти нет, и что толку, даже если их научились получать в лабораториях? Но не торопитесь с выводами! Мы уже научились не только получать античастицы, но и использовать их для наших нужд.
5. Применение антиматерии
На нашей повседневной жизни антиматерия вроде бы не сказывается. Тем не менее сегодня мы применяем для некоторых вполне практичных задач по крайней мере самую распространенную и относительно легко получаемую античастицу — позитрон. Одно из применений позитроны нашли в медицине для диагностики рака. Существуют радиоактивные ядра, испускающие позитроны, которые, вылетев из ядра, мгновенно аннигилируют с электронами из соседних атомов, превращаясь в два фотона. Пациент принимает небольшое количество аналога глюкозы с радиоактивной примесью (доза очень маленькая и не наносит вреда здоровью), глюкозоподобное вещество накапливается в активно растущих клетках, каковыми и являются раковые клетки. Именно в опухоли и будет происходить частая электрон-позитронная аннигиляция, а найти точное место в организме, откуда часто вылетают фотоны, остается технической задачей, причем это делается бесконтактно: вокруг пациента проезжает сканирующий прибор, улавливающий фотоны. Этот метод, позволяющий диагностировать и точно определять местоположение опухоли, называется позитронно-эмиссионной томографией.
Позитроны используются также в материаловедении. С помощью специального позитронного микроскопа, стреляющего позитронами по изучаемому объекту, можно исследовать поверхности полупроводников для их применения в электронике. А можно просто изучать образцы каких-либо материалов, определять «усталость» материалов и находить в них микродефекты. Так что эта, казалось бы, совершенно абстрактная область знания служит вполне конкретным интересам людей.
